CN101134266A - 带有测量装置的多功能激光加工刀具 - Google Patents

Abstract

带有测量装置的多功能激光加工刀具，涉及一种激光加工刀具，尤其是涉及一种光、机、电一体化以及图像处理等相关信息处理，具有打孔、切割、焊接和测量等功能的激光加工刀具。提供一种光斑可调，以获得满足不同加工需求的光斑形状和能量分布，从而实现集打孔、切割、焊接等功能的带有测量装置的多功能激光加工刀具。包括光学系统和采集控制处理装置。光学系统设有He－Ne激光器、CO₂激光器、平面镜、扩束准直器、正旋转棱镜与负旋转棱镜、聚焦透镜；采集控制处理装置设有信息采集处理器、控制器和反馈电路。

Description

带有测量装置的多功能激光加工刀具

技术领域

本发明涉及一种激光加工刀具，尤其是涉及一种光、机、电一体化以及图像处理等相关信息处理，具有打孔、切割、焊接和测量等功能的激光加工刀具。

背景技术

激光加工是现今激光技术应用的主要领域，特别是在半导体与微电子产业、汽车工业、船舶制造业中。近年来，对于激光加工设备的需求急剧增加，但大多数激光加工设备只能实现单一加工要求。由于激光束本身孔径的限制，现有的激光打孔装置较多地采用扫描切割加工的方式来实现较大孔径的加工。这种扫描加工方式存在耗时和加工表面不光滑等不足。为克服这些不足，在加工时，要求激光束的光斑大小可以根据加工需求改变。

旋转棱镜由于结构简单，并可在一定范围内产生近似的无衍射光束，因而备受关注。利用旋转棱镜光学系统可以实现多种形式的光束变换，例如，将实心横截面光束变换为环状光束、平面或径向细环聚焦光束，或者作相反的变换，或者将高斯光束变换成无衍射光束等。其优越的光束和能量变换特性使它在激光打孔、圆柱形工件热处理、焊接、切片、高精度准直技术中等激光加工应用领域都具有非常诱人的价值(冯国英，吕百达，蔡邦维.轴棱镜光学系统对激光束的变换及应用[J].激光技术，1996，20(3))。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的激光加工设备功能单一等不足，提供一种光斑可调，以获得满足不同加工需求的光斑形状和能量分布，从而实现集打孔、切割、焊接等功能的带有测量装置的多功能激光加工刀具。

为此，本发明利用光学成像公式，获得He-Ne激光器和CO2激光器出射的激光束的相关关系的计算公式，把对不可见光光束的测量转换到对可见光光束的测量，避免使用针对不可见光光束测量的光学元件，以降低成本。同时，采用实时测量光束状态，并通过控制系统及时对参数进行修正，以提高了加工质量、精度和加工效率。

本发明包括光学系统和采集控制处理装置。

光学系统设有：

He-Ne激光器，He-Ne激光器用于瞄准定位指示以及作为照明成像光源；CO₂激光器，CO₂激光器作为实际加工的光束；

兼有透射和反射作用的平面镜，兼有透射和反射作用的平面镜用于把He-Ne激光器发射的激光束与CO₂激光器发射的激光束耦合，耦合后的激光束与光学系统同轴，兼有透射和反射作用的平面镜设于He-Ne激光器发射的激光束前方；

扩束准直器，扩束准直器用于对激光束的扩束准直和压缩激光束的发散角，扩束准直器设于CO₂激光器发射的单光束正前方；

正旋转棱镜与负旋转棱镜，正旋转棱镜与负旋转棱镜设于扩束准直器正前方并与扩束准直器中心轴同轴；

聚焦透镜，聚焦透镜用于对从正旋转棱镜与负旋转棱镜的出射光束再聚焦，聚焦透镜设于负旋转棱镜正前方，并与负旋转棱镜中心轴同轴。

采集控制处理装置设有：

信息采集处理器，信息采集处理器用于对可见光束光斑数据进行采集处理，信息采集处理器设有摄像装置和计算机，摄像装置设于采集加工工件前方，摄像装置的输出端接计算机；

控制器，控制器用于对激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数进行控制、优化以及正旋转棱镜与负旋转棱镜及聚焦透镜相对位置进行调整，以获得满足实际需求的指标；

反馈电路，反馈电路用于将信号采集处理后的信息反馈给控制器，以调整光学系统中正、负旋转棱镜间隔、聚焦透镜位置以及优化激光器的工作参数，反馈电路的输入端接信息采集处理器的处理信号输出端，反馈电路的反馈信息输出端接控制器输入端，控制器的控制信号输出端分别接CO₂激光器的控制手柄和正旋转棱镜与负旋转棱镜及聚焦透镜的光具座。

He-Ne激光器和CO₂激光器出射的激光束经过光学系统中的扩束准直器和正旋转棱镜与负旋转棱镜后，具有线性相关关系。根据它们之间的相关关系，通过对He-Ne激光束实际光斑的测量，可以获得CO₂激光束的光斑情况。

兼有透射和反射作用的平面镜可采用可移动式平面镜，通过改变其位置，变换可见光束的耦合强度，在平面镜上最好镀上透过10.6μm和0.6328μm波长的增透膜以减少光能量的损失及消除系统的杂散光。

扩束准直器可采用倒置望远镜结构，扩束准直器实现了对激光束的扩束准直，压缩激光束的发散角。假设θ₁，θ₂分别为进入该光学组件前后的激光束发散角，K为此扩束准直器的放大倍数，则经过扩束准直器后，激光束的发散角为入射前的1/K倍。

正旋转棱镜与负旋转棱镜是由同一光学材料加工出来的耦合器件，具有相同的锥角和折射率，其中心轴同轴。当两旋转棱镜间隔d＝0时，旋转棱镜组合系统所起作用与普通光学窗口相同。通过调整其间隔，达到调焦目的，进而控制光斑环径。利用旋转棱镜无衍射特性减少散焦，实现光束的光斑形状、大小的变换。调整正负旋转棱镜间隔d可使出射光束环径连续变换。

聚焦透镜对从负旋转棱镜的出射光束再聚焦。其焦距与正旋转棱镜和负旋转棱镜相匹配，通过改变其与正旋转棱镜、负旋转棱镜的相对位置，进一步改变光束尺寸和能量密度强度，从而获得满足加工要求的功率密度。实现了对光束变换的微调，即二次调整。

信息采集处理器基于激光三角测量技术，利用CCD摄像装置，实现光电信号转换，对可见光束光斑数据进行采集处理。通过采集加工工件的表面上可见光光束光斑实时数据，根据光学成像公式计算可见光光束和不可见光光束的相关关系，进而得到不可见光光束的实际光斑大小，并在计算机上对其进行处理分析。把对不可见光束的测量转换到对可见光束的测量。

本发明针对现有的激光加工设备的不足，利用旋转棱镜的特性实现了一种光斑大小可控的激光刀具，可用于加工不同规格的孔径。不需要更换加工刀具，就可实现打孔、切割、焊接等多项加工要求之间的切换。由于光束光斑可控，对于较大孔径的加工要求，不需要用扫描切割的方式，可以得到较为光滑的加工表面，提高了加工效率。本发明可以有效地对激光光束光斑形状和能量分布进行控制，可为开发性能好、性价比高、适用范围广的集切割、打孔、焊接等多项加工功能为一体的激光加工装置奠定基础。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

图2为本发明实施例的正旋转棱镜和负旋转棱镜的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明包括光学系统A和采集控制处理装置B。光学系统A设有He-Ne激光器1、兼有透射和反射作用的平面镜2、CO₂激光器3、扩束准直器4、正旋转棱镜与负旋转棱镜5和聚焦透镜6。He-Ne激光器1发射出来的激光束经兼有透射和反射作用的平面镜2耦合到扩束准直器4中，以作为指示系统及信息采集处理器8的照明成像光源。CO₂激光器3发射的激光束经扩束准直器4后，降低了光束的发散角，并得到满足合适孔径尺寸的激光束。准直后的光束经正旋转棱镜与负旋转棱镜5和聚焦透镜6实现光束的变换。

采集控制处理装置B设有信息采集处理器8、控制器9和反馈电路10。信息采集处理器8由CCD摄像装置采集加工工件7表面上可见光光束光板的实时数据，根据光学成像公式计算得到的可见光束和不可见光束的线性相关关系，获得不可见光束光斑的实时数据，并在计算机上进行处理。经信息采集处理器8处理后的信号传送给反馈电路10。反馈电路10把得到的信息反馈给控制器9。控制器9接受反馈电路10反馈回来的信息，并对激光器的工作参数进行优化，进一步控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，并控制调整正旋转棱镜5a和负旋转棱镜5b间隔(参见图2)以及聚焦透镜6的位置，以获得满足要求的参数指标。

本发明采用旋转棱镜，利用正旋转棱镜在一定区域内产生光强及光斑尺寸稳定的无衍射光束，方便了光束的调焦、对准和定位，提高光束质量。结合与正旋转棱镜5a具有相同锥角和折射率的负旋转棱镜5b以及聚焦透镜，通过调整光学组件的相对位置实现光束的变换控制。本发明中，正旋转棱镜5a和聚焦透镜6的位置相对固定。所需尺寸范围一旦确定，只需调整一次正旋转棱镜和聚焦透镜的位置。而在此尺寸范围内，为获取不同尺寸大小的光斑只需要对负旋转棱镜的位置进行微调。调整方式有自动和手动两种方式。正旋转棱镜和聚焦透镜的位置相对固定，结构紧凑，在光路中的调节简便。负旋转棱镜5b位置可微调，可以修正其本身加工质量带来的误差。采集控制处理装置B的辅助作用可以进一步减小系统产生的误差，并对其进行补偿修正，提高精度。本发明中，根据成像公式，在计算机上得到经由光学系统后可见光光束和不可见光光束的线性相关关系，把对不可见光光束的测量变换为对可见光光束的测量，降低了对采集光学部件的特殊要求，从而降低了成本。其次，由于实时地对工件表面光束光斑进行测量并及时对相关参数进行优化控制调整，从而提高了加工质量、精度和效率。

本发明通过对正旋转棱镜5a和负旋转棱镜5b间隔和聚焦透镜6位置作相应的调整，获得满足不同加工要求(激光切割、激光打孔、激光焊接等)的加工光束，实现多功能加工。本发明在激光加工领域中，具有加工孔径适用范围广、加工尺寸可定量调整，加工效率高，成本低等优点。而且不需要移动聚焦激光器和被加工工件，克服了使用昂贵精密机械装置等缺点，在激光打孔、切割、焊接等加工领域都具有非常诱人的应用价值。本发明中，更由于对激光束的实时测量，有效地控制加工光束的参数指标，使得加工质量和效率进一步提高。

Claims (5)

1.带有测量装置的多功能激光加工刀具，其特征在于包括光学系统和采集控制处理装置；

光学系统设有：

He-Ne激光器，He-Ne激光器用于瞄准定位指示以及作为照明成像光源；

CO₂激光器，CO₂激光器作为实际加工的光束；

兼有透射和反射作用的平面镜，兼有透射和反射作用的平面镜用于把He-Ne激光器发射的激光束与CO₂激光器发射的激光束耦合，耦合后的激光束与光学系统同轴，兼有透射和反射作用的平面镜设于He-Ne激光器发射的激光束前方；

扩束准直器，扩束准直器用于对激光束的扩束准直和压缩激光束的发散角，扩束准直器设于CO₂激光器发射的单光束正前方；

正旋转棱镜与负旋转棱镜，正旋转棱镜与负旋转棱镜设于扩束准直器正前方并与扩束准直器中心轴同轴；

聚焦透镜，聚焦透镜用于对从正旋转棱镜与负旋转棱镜的出射光束再聚焦，聚焦透镜设于负旋转棱镜正前方，并与负旋转棱镜中心轴同轴；

采集控制处理装置设有：

信息采集处理器，信息采集处理器用于对可见光束光斑数据进行采集处理，信息采集处理器设有摄像装置和计算机，摄像装置设于采集加工工件前方，摄像装置的输出端接计算机；

控制器，控制器用于对激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数进行控制、优化以及正旋转棱镜与负旋转棱镜及聚焦透镜相对位置进行调整，以获得满足实际需求的指标；

反馈电路，反馈电路用于将信号采集处理后的信息反馈给控制器，以调整光学系统中正、负旋转棱镜间隔、聚焦透镜位置以及优化激光器的工作参数，反馈电路的输入端接信息采集处理器的处理信号输出端，反馈电路的反馈信息输出端接控制器输入端，控制器的控制信号输出端分别接CO₂激光器的控制手柄和正旋转棱镜与负旋转棱镜及聚焦透镜的光具座。

2.如权利要求1所述的带有测量装置的多功能激光加工刀具，其特征在于兼有透射和反射作用的平面镜为可移动式平面镜。

3.如权利要求1或2所述的带有测量装置的多功能激光加工刀具，其特征在于在兼有透射和反射作用的平面镜上镀有透过10.6μm和0.6328μm波长的增透膜。

4.如权利要求1所述的带有测量装置的多功能激光加工刀具，其特征在于扩束准直器为倒置望远镜结构。

5.如权利要求1所述的带有测量装置的多功能激光加工刀具，其特征在于正旋转棱镜与负旋转棱镜为由同一光学材料加工的耦合器件，具有相同的锥角和折射率，其中心轴同轴。